CN110492046B - 具有带有电池监测和焊接组件特征的pcba的电池组组件 - Google Patents
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Abstract
电池组组件包括电池组电池、导电汇流条和印刷电路板组件(PCBA)。电池组组件的电池极耳具有从袋的周边边缘延伸的第一部分和相对于第一部分正交布置的第二部分。汇流条限定第一部分所延伸穿过的极耳狭槽，并具有邻近第二部分的主表面。PCBA限定与PCBA的纵向轴线正交的细长焊接窗口。PCBA安装在汇流条上方使得第二部分的表面区域通过焊接窗口而暴露，并且进而通过焊接窗口并且在焊接窗口内被焊接到汇流条。弹簧元件可以定位在托架和PCBA之间。还提供了一种制备电池组组件的方法。
Description
引言
电化学电池组用在各种各样的系统中。电池组组件可以由多个互连的部分构成，其中每个电池堆包括几个互连的电池组电池。各个电池组电池可以邻近冷却板放置并且通过泡沫层与相邻电池组电池间隔开。电池组电池内部的电极箔堆叠还可包括设置在带相反电荷的电极箔之间的绝缘材料(例如聚乙烯和/或聚丙烯膜)薄层。整个堆叠可以装入包含电解质材料的密封外部袋内。
通常称为阳极箔和阴极箔的上述电极箔，可以涂覆有应用合适的活性材料，诸如氧化锂或石墨。电连接到电极箔的外部电池极耳从袋的外周边缘突出短距离。突出的电池极耳导电地连接在一起以形成串联或并联的电路，其中应用专用数量的电池组电池经由导电汇流条电互连以构建电池组组件。
具有上述袋构造的电池堆叠可具有可对称或不对称的电池极耳构造。在对称极耳构造中，给定电池组电池的阴极和阳极极耳从袋的直径相对的周边边缘突出。相反，不对称电池组电池的电池极耳从相同周边边缘突出，使得给定电池组电池的阳极和阴极极耳并排布置。虽然两个电池极耳配置都提供了相对性能和/或封装益处，但是对称极耳配置的几何形状可以用于构建具有相对高功率密度的电池组。
发明内容
本文公开了一种使用上述对称电池极耳构造的电池组组件。在示例性实施例中，电池组组件包括至少一个电池组电池、至少一个导电汇流条和印刷电路板组件(PCBA)。对称的电池组电池具有从袋的周边边缘突出的电池极耳。电池极耳还包括从袋的周边边缘向外延伸的第一部分和相对于第一部分正交布置的第二部分。例如，电池极耳可在制造期间(例如，使用辊)折叠或弯曲，以便形成第一和第二部分。导电汇流条限定电池极耳狭槽，其中第一部分延伸穿过极耳狭槽。导电汇流条的主表面紧邻电池极耳的第二部分。
在该实施例中的PCBA限定相对于PCBA的纵向轴线正交布置/横向的细长焊接窗口。PCBA被安装在导电汇流条的上方或顶部上，使得PCBA的焊接窗口重叠并且是电池极耳的第二部分的共同延伸的表面区域，其通过焊接窗口暴露或可接近以用于焊接。然后电池极耳的第二部分例如使用激光焊接工艺沿着焊接窗口的长度被焊接到导电汇流条。
电池组组件可以包括配置为支撑和保持导电汇流条的托架，以及形成PCBA的一部分并且邻近于托架定位的弹性弹簧元件。弹性弹簧元件可以横向于PCBA的纵向轴线布置，使得弹簧元件跨越PCBA的宽度的一部分。这种弹簧元件可限定与PCBA的焊接窗口重叠/共同延伸的另一细长焊接窗口。
PCBA可以可选地限定径向延伸的边缘凹口，即，PCBA的周边边缘中的凹口和/或包覆模制的塑料层的轮廓，它们远离纵向轴线敞开。这种实施例中的弹性弹簧元件是PCBA的一部分，并且不直接接口连接到托架。弹簧元件可包括钎焊到PCBA的一组极耳。
在一些实施例中，电池极耳和导电汇流条可以分别由不同材料构造，诸如铝和铜。
还公开了一种与具有电池组电池的电池组组件一起使用的PCBA，其中电池组电池包括具有如上所述的正交布置的第一部分和第二部分的电池极耳。由PCBA的该实施例设想的电池组组件包括导电汇流条，该导电汇流条限定第一部分所延伸穿过的极耳狭槽。PCBA包括具有导电迹线以及表面或通孔钎焊的部件的第一层，和包覆模制到第一层的第二层。第一层和第二层限定相对于PCBA的纵向轴线正交布置的细长焊接窗口。PCBA的焊接窗口配置为使得当PCBA相对于导电汇流条安装或定位时，电池极耳的第二部分的表面区域通过焊接窗口而暴露。这种定位使得能够在后续焊接过程中通过PCBA的焊接窗口焊接进入第二部分。
本文还公开了一种用于形成电池组组件的方法。该方法可以包括将电池组电池的电池极耳的第一和第二部分插入穿过由导电汇流条限定的极耳狭槽，并且然后充分地弯曲电池极耳以相对于第一部分正交地定向第二部分。然后，汇流条的主表面紧邻电池极耳的第二部分，即，第二部分搁置在主表面上。当多个电池极耳被用作电池组组件的一部分时，电池极耳沿相同方向被卷起或弯曲。
该实施例中的方法还可包括将PCBA安装在导电汇流条的顶部上或上方，其中PCBA具有纵向轴线和相对于纵向轴线正交布置的细长焊接窗口，使得电池极耳的第二部分的表面区域通过焊接窗口而暴露。该方法还可以包括沿着焊接窗口的长度将电池极耳的第二部分焊接到导电汇流条。
以上发明内容并不旨在表示本公开的每个可能的实施例或每个方面。相反，前述发明内容旨在举例说明本文所公开的一些新颖方面和特征。当结合附图和所附权利要求时，从用于执行本公开的代表性实施例和模式的以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是具有印刷电路板组件(PCBA)的示例电池组组件的一部分的示意性透视图，该PCBA具有便于如本文所述的激光焊接工艺的整体电池监测硬件和焊接组件特征。
图2是图1的电池组组件的示意性透视图，其中PCBA被省略以示出下面的导电汇流条和电池极耳。
图3A是配置用于在图1和图2的电池组组件中使用的示例电池组电池的示意性平面图。
图3B是图3A的示例电池组电池的示意性侧视图。
图4是图1和图2所示的电池组组件的一部分的示意性局部剖视图。
图5是图1和图2所示的电池组组件的端部的示意性透视图。
图6A是可在图1、2和5所示的电池组组件内使用的示例性冲压弹簧元件的示意性透视图。
图6B是图6A所示的冲压弹簧元件的示意性侧视图。
本公开容许修改和替代形式，其中代表性实施例在附图中以举例的方式示出且在下文中详细描述。本公开的发明性方面不限于所公开的特定形式。相反，本公开旨在涵盖落入所附权利要求限定的本公开的范围内的修改、等同物、组合和替换。
具体实施方式
参照附图，其中在各视图中，相似的附图标记用于标识相似或相同的部件，在图1、2和5中描绘了具有侧板14和重复框架组件35的示例电池组组件10，其中重复框架组件35具有刚性重复框架和冷却翅片或通道，如本领域普通技术人员将理解的。电池组组件10的顶部在图1中示出，其中为了清楚起见，电池组组件10以水平取向示出。这种电池组组件10可用作各种系统中的电源，包括汽车、船舶、航空交通工具、移动平台或发电厂，而不限于此。
电池组组件10包括如图3A和3B所示配置的一个或多个电池组电池12。在图1的电池组组件10的整体结构内，电池组电池12定位在重复框架组件35之间，其中重复框架组件35位于电池组电池12的侧面。侧板14可由塑料、挤压铝、冲压钢或配置为形成保护性结构支撑外壳的另一轻质结构刚性材料构成。在给定应用中使用的电池组电池12的数量可以变化，并且因此图1的电池组组件10对本教导是非限制性和示例性的。
本文公开的电池组组件10包括具有主表面124的印刷电路板组件(PCBA)24。PCBA24在图1中被描绘为处于安装位置，其中PCBA 24在图2中被省略以示出多个下面的导电汇流条22的相对位置。在图1和图2中还示出的是图3A和3B中所示的电池极耳16的暴露极耳部分16B，其中暴露极耳部分16B以表示先前在上文中所提到的对称电池极耳配置的单个列或行对齐。
图1和图2的暴露极耳部分16B被设置成直接搁置在导电汇流条22(图2)上并因此紧邻导电汇流条22(图2)。导电汇流条22(其可以具体化为诸如铜和/或铝的应用合适的导电金属的平板)共同形成电池极耳16的组之间的电连接。在一些实施例中，导电汇流条22和电池极耳16可以由相同的材料构造，而在其他实施例中，材料可以是不同的。例如，当电池极耳16由铝构成(典型地在阴极极耳中)时，这种电池极耳16所连接到的导电汇流条22可以由铜构成。导电汇流条22可以仅由铝构造，其中在这种实施例中形成阳极极耳的电池极耳16被激光焊接到导电汇流条22。同样地，导电汇流条22可以是双金属的，例如，半铜和半铝，其中铜电池极耳16(阳极极耳)被焊接到汇流条22的铜部分，且铝电池极耳16(阴极极耳)被焊接到汇流条22的铝部分。
如本文所述的图1所示的PCBA 24具有两个重要功能：(1)提供正确地监测电池组组件10的正在进行的性能所需的内部电迹线和连接，以及(2)促进后续激光焊接工艺。通过将PCBA 24配置为抵靠导电汇流条22按压电池极耳16的暴露极耳部分16B以提供良好的、连续的电接触接口，以及将暴露极耳部分16B保持在合适的位置用于随后将暴露极耳部分16B焊接到导电汇流条22而促进后一功能。
简要参照图3A和3B，本文设想的用于图1的电池组组件10的电池组电池12可以包括袋20，例如聚合物涂覆的箔袋。虽然为了简单说明而被省略，如上所述，这种袋20可以包含围绕内部电池堆叠的电解质材料，在该电池堆叠中，绝缘材料的薄层被设置在带相反电荷的电极箔(即阳极箔和阴极箔)之间。箔终止于电荷特异性电池极耳16(图3A)。电池极耳16可具体化为薄箔片，例如，在一些实施例中具有约0.2-0.4mm的厚度(T)，其中厚度(T)是基于用于形成电池极耳16的特定材料的电阻率。给定电池极耳16的极耳部分16A从袋20的直径相对的周边边缘18突出，使得电池组电池12具有上文所述的对称极耳构造。
如在图3B和图4中最佳示出的，图4是沿着图1的电池组组件10的纵向轴线11截取的剖视图，并且还描绘了相邻袋20之间的重复框架35，在制造期间电池极耳16可以全部沿相同的方向卷起或弯曲以形成大约90度的角度，也如图3B所示。例如，如图2所示的圆柱形辊50可沿着纵向轴线11传递以与暴露极耳部分16B直接滚动接触，以抵靠由导电汇流条22限定的相应极耳狭槽25的边缘19稍微折叠或弯曲电池极耳16，其中图2中也描绘了这种极耳狭槽25。之后，电池极耳16具有图3A和3B中所示的正交布置的极耳部分16A和16B。
因此，图3B所示的电池极耳16的极耳部分16A从袋20的周边边缘18向外延伸短距离，即，刚好足够远地越过图2和4所示的导电汇流条22。在本文中称为“暴露”极耳部分16B以指示其相对于图1的PCBA24的暴露位置的极耳部分16B与极耳部分16A连续并且相对于极耳部分16A正交地布置。暴露极耳部分16B包括接触表面17，该接触表面17搁置在导电汇流条22上或直接按压到导电汇流条22上。
如图4所示，导电汇流条22搁置在托架14F上或由托架14F(例如，连接到图1和2中所示的侧板14并且在该侧板14之间延伸的塑料托盘或板)支撑，其中接触表面17紧邻导电汇流条22。极耳部分16A和暴露极耳部分16B的相互正交布置(其最终产生搭接接头)旨在增加可焊接区域，从而促进电池极耳16的暴露极耳部分16B到导电汇流条22的后续焊接过程，如下所述。
再次参照图1的电池组组件10，PCBA 24可以配置为整体式细长电池感测板，当用于监测电池组组件10的正在进行的电气和热性能时，该整体式细长电池感测板提供电流和/或电压感测功能。虽然为了清楚说明而从附图中省略，但PCBA 24(还称为电池感测板或互连板)可以包含各种电压、电流、电阻传感器和/或温度传感器，以及测量和报告例如到外部电池组组件控制器(未示出)的电压、电流、电阻、温度和/或其它性能值所需的内部或表面导电迹线。PCBA 24还可以包括专用集成电路(ASIC)，用于本地监测和平衡电池组电池12的充电状态，以及用于经由控制器局域网络(CAN)总线消息或其他通信协议进行通信。焊点31表示到可选的弹性弹簧元件28的通孔焊点，如图6A和6B所示和如下所述。本领域普通技术人员将理解，电路板诸如PCBA 24通常还包括多个层、导电通孔、传感器、表面迹线和嵌入式迹线，为了简单说明而从附图中省略了其中的许多。
如上所述，PCBA 24配置为抵靠导电汇流条22物理地按压电池极耳16的暴露极耳部分16B。为此，图1的PCBA24可限定细长焊接窗口26，例如所示的平行有槽开口，其中每个暴露极耳部分16B使用一个焊接窗口26。因此，在如上所述的后续焊接过程期间，暴露极耳部分16B在通过焊接窗口26基本上可见或可容易接近的意义方面是暴露的。
焊接窗口26具有相对于纵向轴线11正交的取向。焊接窗口26的外周边可限定所示的细长椭圆形或其它实施例中的矩形形状。不管周边形状如何，焊接窗口26的大小被设计成使暴露极耳部分16B的总表面区域的大部分(51％或更多)暴露(即，呈现给焊接激光而无需中介结构)。例如使用机械紧固件诸如卡扣或螺钉，或其他塑料接合工艺诸如激光、超声波或热铆接，PCBA 24在电池组组件10中直接安装在如1所示的电池极耳16的顶部，从而将PCBA 24锁定在适当位置。
简要地参照图6A和6B，以上简要提到的弹性弹簧元件28可以用作图1的PCBA 24的整体部分。弹簧元件28可由轻质冲压金属(例如，铍铜或具有良好可成形性的其它高强度铜)构造，其中厚度以及弹性和顺应性水平足以补偿制造公差和PCBA 24与电池极耳16之间的所得空间。将图6A和图6B的弹簧元件28与PCBA 24的其余部分集成因此使得PCBA 24在最终被紧固到电池组组件10时能够将电池极耳16的暴露极耳部分16B牢固地夹持到导电汇流条22中的相应的一个以准备焊接过程。
如图6A所示，因为可选弹性弹簧元件28将在处于安装在图1的电池组组件10中之后的平坦状态时出现，故描绘了可选弹性弹簧元件28，限定了与图1中所示的PCBA 24的细长焊接窗口26中的一个对准的细长焊接窗口30。弹簧元件28可以包括一对端部极耳29，该对端部极耳29从弹簧元件28径向向外突出并且在焊点31(为清楚起见在图5中示出)处钎焊到PCBA 24。焊点31可以经由迹线42连接至电连接器40。例如，弹簧元件28的长度(尺寸D2)可略微小于PCBA 24的总宽度(即，图1和6B的尺寸D1)，其中端部极耳29在图1所示的PCBA24的外周边上或沿着PCBA 24的外周边而钎焊到PCBA 24。尺寸D4可以小于电池极耳16的宽度，其中图2-3A中的尺寸D3表示这样的宽度，尽管利用足够的过程控制，尺寸D4可以超过尺寸D3以正确地将焊缝放置在焊接窗口30内。
图5描绘了在PCBA 24被安装之后(例如，使用卡扣连接件44或螺纹紧固件)以及在完成电池极耳16(图3A和3B)的暴露部分16B的焊接之后的电池组组件10的所得配置。细长焊接窗口26暴露或呈现用于焊接的暴露部分16B的大部分表面区域，使得细长焊接接头45可沿焊接窗口26中的每一个的长度形成。这种焊接接头45的长度或总焊接面积由图5中的尺寸D5表示，并且在邻接汇流条22和电池极耳16之间提供足够低的电流密度和低的总电阻。另外，尺寸D5被约束为在图6A的焊接窗口30的长度内，其中这种长度由尺寸D4指示。
PCBA 24可以构造成多层。例如，如图6B所示，PCBA 24包括例如通过塑料层62包覆模制的PCBA基板或板240，该塑料层62在焊接窗口26和30中是不被允许的，并且仅为了清楚说明而在图6B的视图中省略。可选的辅助焊接点420(其可以用于将弹簧元件28永久地连接到暴露极耳部分16B)，被描绘为暴露在焊接窗口26内，根据需要激光焊接在适当的位置，以形成电池极耳16和PCBA 24之间的永久电池感测连接。焊接点420定位在由PCBA的窗口30和窗口26限定的28的暴露外面上，其中窗口30小于窗口26。塑料层62的包覆模制可以在钎焊图6A的一组端部极耳29之后发生。如图1和图5所示，PCBA 24可以包括在特定内部位置处的焊点31，例如，用于电池组电池12的电压感测的目的。电连接器40中的一个或多个可以用作PCBA 24的一部分，以使得PCBA 24能够连接到外部装置(例如，电池组组件控制器)，其中电连接器40的示例端部布置在图5中示出。
如本领域普通技术人员鉴于前面的描述将理解的，本文所述的PCBA 24能够构造电池组组件，诸如图1和图2的示例性电池组组件10，其中整体监测和焊接组件特征包括在PCBA 24的整体构造中。PCBA 24可以例如促进搭接接头的激光焊接，并且因此便于形成具有较低电阻的坚固焊缝。这进而可以帮助增加图1的电池组组件10的容积效率/能量密度。
本公开还实现了用于形成图1的电池组组件10的方法。例如，电池组电池12的电池极耳16可插入穿过由导电汇流条22限定的极耳狭槽25，然后折叠或弯曲如图2所示的电池极耳16，其中多个这种电池极耳16全部沿相同方向折叠或弯曲。弯曲动作将极耳部分16A形成为延伸穿过极耳狭槽25的第一部分和相对于极耳部分16A正交布置的暴露极耳部分16B，使得暴露极耳部分16B的接触表面17搁置在导电汇流条22上或紧邻导电汇流条22定位。实现方法可以包括将PCBA 24安装到导电汇流条22。PCBA 24主要围绕PCBA 24的周边机械地附接到托架14F。除了通过焊接接头45和任何辅助焊接接头420，PCBA 24可以或不可以具有到汇流条22的机械连接。汇流条22与托架14F对准，并且PCBA 24与托架14F中的凹口对准。因此，通过传递特性，由于汇流条22和托架14F共享托架14F上的相同参照特征，所以PCBA24的焊接窗口26可以与电池极耳16正确地对准。此后，该方法可包括例如使用激光焊接工艺将电池极耳16的暴露部分16B沿着焊接窗口26的长度焊接到导电汇流条22，其中所得焊接接头45示意性地描绘在图5中。
导电汇流条22可以由图4的托架14F支撑，在这种情况下，该方法可以包括将图6A和图6B的弹性弹簧元件28连接到PCBA 24，作为与托架14F相邻的PCBA24的一部分，使得弹性弹簧元件28跨越PCBA 24的大部分宽度(尺寸D1)，如图6B所示。当构造PCBA 24时，弹簧元件28被定位且通孔钎焊到PCBA 24，使得焊接窗口30将总是与焊接窗口26对准。窗口30可以或不可以小于窗口28。然而，如果辅助焊接接头420形成为将弹簧元件28永久地固定到电池极耳16，那么焊接窗口30小于焊接窗口26。将弹簧元件28定位成邻近托架14F可包括接合上述卡扣特征44。
虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各备选设计和实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的前提下，可以对所公开实施例进行修改。而且，本理念明确包括所述元件和特征的组合和子组合。在仅由权利要求限定的本教导的范围的情况下，详细描述和附图支持和描述本教导。
Claims (6)
1.一种电池组组件，包括：
具有袋和电池极耳的电池组组件，所述电池极耳具有从所述袋的周边边缘向外延伸的第一部分和相对于所述第一部分正交布置的第二部分；
限定所述第一部分所延伸穿过的极耳狭槽的导电汇流条，所述导电汇流条具有紧邻所述电池极耳的所述第二部分的主表面；和
印刷电路板组件PCBA，所述印刷电路板组件具有纵向轴线并限定与所述纵向轴线正交的细长焊接窗口，其中所述PCBA定位成邻近所述导电汇流条，使得所述电池极耳的所述第二部分的表面区域通过所述细长焊接窗口而暴露，其中所述电池极耳的所述第二部分被焊接到所述细长焊接窗口内的所述导电汇流条；
托架，所述托架连接到所述PCBA并配置为支撑和保持所述PCBA和所述导电汇流条；
其中所述PCBA包括邻近所述托架并跨越所述PCBA的宽度的一部分的弹性弹簧元件；
其中，所述弹性弹簧元件限定与所述PCBA的所述细长焊接窗口共同延伸的另一细长焊接窗口。
2.根据权利要求1所述的电池组组件，其中所述弹性弹簧元件包括钎焊到所述PCBA的层的一组极耳。
3.根据权利要求1所述的电池组组件，其中所述电池组组件包括多个电池组电池和包括多个汇流条的所述导电汇流条，且其中所述多个电池组电池中的至少一个电池极耳由与所述导电汇流条不同的材料构成。
4.根据权利要求1所述的电池组组件，其中所述PCBA包括配置为所述PCBA的功能性电层的第一层和包覆模制到所述第一层的第二层，其中所述第一和第二层均限定所述PCBA的所述细长焊接窗口。
5.一种与具有电池组电池的所述电池组组件一起使用的印刷电路板组件PCBA，所述电池组电池具有包括正交布置的第一和第二部分的电池极耳，所述电池组组件进一步具有限定所述第一部分所延伸穿过的极耳狭槽的导电汇流条，所述PCBA包括：
形成所述PCBA的功能性电层的第一层；和
包覆模制到所述第一层的第二层，所述第一和第二层限定相对于所述PCBA的纵向轴线正交的细长焊接窗口，其中所述PCBA的所述细长焊接窗口配置为使得当所述PCBA安装到所述导电汇流条时，所述电池极耳的所述第二部分的表面区域通过所述细长焊接窗口而暴露；
包括托架，所述托架连接到所述PCBA并配置为支撑和保持所述PCBA和所述导电汇流条，所述PCBA进一步包括：
钎焊到所述PCBA并跨越所述PCBA的宽度的一部分的弹性弹簧元件；
其中所述弹性弹簧元件限定与所述PCBA的所述细长焊接窗口共同延伸的另一细长焊接窗口。
6.根据权利要求5所述的PCBA，其中所述弹性弹簧元件包括钎焊到所述PCBA的所述第一层的一组极耳。
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